Aufschluss darüber, wie Bakterien ihren Weg zur Infektion kommunizieren

Wissenschaftler der Oregon State University haben Proteine ​​identifiziert, die verhindern, dass eine Bakterienzelle durch ihre eigene Botschaft fehlgeleitet wird, und es ihr stattdessen ermöglichen, auf die kollektive Kommunikation ihrer Gruppe zu warten.

Die Forschung ist wichtig, weil das Verständnis dieser Art der Signalübertragung, bekannt als Quorum Sensing und integraler Bestandteil bakterieller Krankheitserreger, die Tür zu potenziellen neuen Medikamenten öffnet, die sie stören und Infektionen vereiteln können.

Die Ergebnisse wurden heute in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

Martin Schuster, Professor an der Abteilung für Mikrobiologie der OSU an den Colleges of Science and Agricultural Sciences, und der Doktorand Parker Smith untersuchen Quorum Sensing bei dem Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa, einem gramnegativen Bakterium, das eine Vielzahl sozialer Verhaltensweisen zeigt.

P. aeruginosa, eine häufige Ursache von Lungen- und Wundinfektionen bei Krankenhauspatienten und Menschen mit geschwächtem Immunsystem, ist ein Modellorganismus für die Quorum-Sensing-Forschung mit einem gut verstandenen Signalschaltkreis, sagten die Wissenschaftler.

„Manchmal müssen Einzeller mit anderen Zellen zusammenarbeiten“, sagt Schuster. „Bakterien und andere einzellige Mikroben können Verhaltensweisen koordinieren und als Gruppe über Quorum Sensing agieren, bei dem Zellen ein kleines chemisches Signal erzeugen und wahrnehmen, das innerhalb der Population geteilt wird.“

Wenn das Signal von den Zellen freigesetzt wird und eine ausreichend hohe Konzentration in ihrer Umgebung erreicht, ist ein Quorum erreicht – bestimmte Gene werden gleichzeitig aktiviert und bestimmte Gruppenverhalten werden in Gang gesetzt, sagte Smith.

Es ist ein Ansatz der Stärke in Zahlen, der es Bakterien ermöglicht, ihre Kräfte zu bündeln, um Dinge zu tun, die sie alleine nicht tun könnten, wie das Verursachen von Infektionen bei Tieren und Pflanzen, das Aneignen bestimmter Nährstoffe und das Konkurrieren mit anderen Mikroben.

„Eine bakterielle Infektion beinhaltet oft Toxine, die den Wirt nur in hohem Maße schädigen, wenn sie von allen Bakterienzellen gleichzeitig produziert werden“, sagte Smith.

Eine große ungelöste Frage zum Quorum Sensing, sagten die Forscher, war, warum das Signal, das in einer einzelnen Zelle produziert wird, nicht von derselben Zelle wahrgenommen wird, bevor es freigesetzt wird, was die Zelle zu vorzeitiger Solo-Aktion anspornt.

„Was verhindert im Wesentlichen, dass ein Signal ‚kurzgeschlossen‘ wird?“ sagte Schuster. „Unsere Forschung befasst sich mit dieser Frage, die für unser Verständnis von Quorum Sensing von grundlegender Bedeutung ist.“

Smith und Schuster erfuhren, dass eine Reihe von Proteinen, die als Antiaktivatoren bezeichnet werden, für die Vermeidung von Kurzschlüssen entscheidend sind. Die Proteine ​​wirken als Quorum-Sensing-„Tuner“, indem sie bewirken, dass die Zellen weniger empfindlich auf das Quorum-Signal reagieren.

Die Forscher entwickelten Bakterienstämme, denen zwei verschiedene Arten von Antiaktivatorproteinen fehlten, und untersuchten dann das Quorum-Sensing-Verhalten in einzelnen Zellen.

„Wir fanden heraus, dass ohne Antiaktivatoren ein Bruchteil der Zellen in einer P.-aeruginosa-Population an ‚Selbstgesprächen‘ beteiligt war“, sagte Smith. „In diesen Zellen hatte Signalkurzschluss zu jeder Zeit Quorum-Sensing-abhängiges Verhalten aktiviert, unabhängig von der Zelldichte und ohne jegliche Kommunikation mit anderen Zellen. Unsere Forschung zeigt, wie Bakterien das Quorum-Sensing bremsen, um eine echte Kommunikation in a zu erreichen Gruppe.“

Die Ergebnisse helfen nicht nur bei der Suche nach neuen Antibiotika, die das Quorum Sensing bei bakteriellen Krankheitserregern hemmen können, sondern liefern auch Hintergrundwissen, das für die Entwicklung von Zellen mit neuen Eigenschaften auf einem Gebiet namens synthetische Biologie nützlich ist, sagte Schuster.